摘要：采用兩種不同粒徑的均質石英砂濾料進行直接過濾，在單位面積濾層濾料表面積相等的條件下進行過濾性能比較，試驗結果表明單位面積濾層濾料顆粒表面積相等時，濾后水濁度相同，粗石英砂濾料的過濾水頭損失小于細石英砂濾料的過濾水頭損失，因此，用單位面積濾層濾料表面積來衡量對濾池濾料的要求比L/d指標更合理。
1、實驗構思
現代過濾理論研究認為，在快濾池中，懸浮顆粒的去除，主要是由顆粒與濾料之間以及顆粒與顆粒之間的吸附（粘附）作用而被去除的。這就涉及到兩個方面的問題：一是被水挾帶的懸浮顆粒如何脫離水流流線向濾料表面靠近的顆粒遷移機理。二是當懸浮顆粒與濾料表面接觸時，依靠哪些力的作用使得它們粘附在濾料表面上，這就是顆粒的粘附機理，在這一機理中，要保證過濾出水水質，就須保證濾層濾料具有一定的表面積，為懸浮顆粒被吸附在濾料表面提供足夠的吸附空間，以便懸浮顆粒有效地被吸附在濾料表面。
直接過濾是混凝與過濾過程有機結合而形成的新的單元處理過程，原水在濾前預處理中，仍然依靠壓縮雙電層、電性中和作用以及吸附架橋、表面絡合作用，使原水中懸浮物質脫穩或凝聚成具有良好過濾性能的微絮體，當帶脫穩膠體的水流通過濾料表面時，脫穩的膠體與宏觀的濾料表面接觸從水中分離出去，相當于微觀顆粒與宏觀濾料間的絮凝，當宏觀濾料所提供的表面積越大，脫穩的膠體與宏觀的濾料表面接觸的機率越大，這種微觀顆粒與宏觀濾料間的總體絮凝效果越好，出水水質越好。
由此可見，在過濾過程中整個濾層濾料表面積的大小對濾出水水質的影響很大。為了保證過濾出水水質，濾層具有一定的厚度是必要的，由實際經驗總結，當L/d=800~1000時，可以達到過濾出水水質的要求。
懸浮顆粒在濾層空隙水流中的遷移、輸送是由沉淀、慣性、阻截、擴散、動力效應等基本作用的過程，對于一個顆粒來說，可能同時受幾種作用，但占主要作用的只是一種或兩種，主要取決于濁質粒度的大小。對于濾料截除懸浮物質的確切作用過程，目前還不十分清楚，但一般認為需要通過微顆粒間濾料表面“輸送”以及在濾料表面的“附著”兩個階段才能達到。在“附著”過程中，濾料除濁質能力的好壞不僅與濁質粒子的物理化學特性有關，并且濾料本身的表面物理和化學特性也具有很大的關系。然而單位面積濾層濾料表面積的大小對這整個濾后水水質的好壞具有很大的影響。
從嚴格的理論上講，濾料所具有的對懸浮物的截留能力的濾料所提供的表面積，濾池的過濾能力主要來自濾料顆粒表面吸附作用。在過濾過程中，濾料所提供的顆粒表面越大，對水中懸浮物的附著力越強，為要達到一定的預期的出水水質要求，濾料所提供的表面積應滿足某一較小值，濾料所具有的截留能力還與濾料本身的表面特性有關。本試驗采用波濤石英砂廠家生產的同產地、同種類材質的粗細兩種石英砂濾料，在A、B兩實驗柱單位面積濾層所提供的濾料表面相等的條件下進行對比實驗。單位面積濾層提供的濾料表面積為：
S總表面積=6（1-ε0）/ψdeLA，即：S總表面積∝L/ψde。
式中：S總表面積—濾料表面積
ε0—濾層空隙率
A—為濾柱截面積
L—濾層厚度
ψ—濾料球形度
de—濾料粒徑
2、實驗設置
采用波濤石英砂廠家生產的均質石英砂濾料。規格為：粗砂deq=1.10mm，ε0=0.43，ψ=0.78，d10=0.91，K60=1.22，濾層厚950mm；細砂deq=0.85mm，ε0=0.40，ψ=0.781，d10=0.962，K60=1.24，濾層厚720mm。模型濾池是兩套高3000mm，直徑100mm的有機玻璃柱，沿柱體縱向有測壓管和取樣管。實驗采用AL2(SO4)3作為混凝劑，以高嶺土自配原水，在原水水質，濾床結構，濾柱運行控制參數及投藥量完全相同的情況下，進行對比實驗。A柱裝入粗砂，B柱裝入細砂。試驗中濾柱均運行15小時，濾速分別采用6.8m/h，8.33m/h，流向朝下，投藥量ALT分別采用0.05，0.2，進水濁度10NTU。
3、結果與分析
3.1 水頭損失比較情況如圖(a)，(b)所示：
由圖可知：粗石英砂濾料的過濾水頭損失小于細石英砂濾料的過濾水頭損失，這主要是因為粗石英砂濾料的有效孔隙率優于細石英砂濾料的有效孔隙率，粗石英砂濾料截留濁質后，濾層內部的水流曲線變化比細石英砂濾料截留濁質后濾層內部的水流曲線變化慢且小。
3.2 出水濁度的變化情況比較如圖(c)，(d)，(e)，(f)所示：
由圖(c)，(d)，(e)，(f)可知：在每組對比試驗中，原水濁度、濾速、投藥量、單位面積濾層所提供的石英砂濾料總表面積相同的情況下，粗、細石英砂濾料過濾的出水濁度相同，在原水濁度、濾速、投藥量相同的情況下，原水具有相同的過濾性能，單位面積濾層所提供的濾料總表面積相同，為懸浮顆粒被吸附在石英砂濾料表面提供相同的吸附空間，被濾料表面所吸附的懸浮顆粒量相同，所以，粗、細石英砂濾料過濾的出水濁度相同。
表1 不同投藥量不同濾速時A,B兩柱運行情況
| 投藥量ALT | 進水濁度NTU | 濾速m/h | 運行時間(h) | 水頭損失(pa) | 平均出水濁度(NTU) | F值 | |||||
| A柱 | B柱 | A柱 | B柱 | A柱 | B柱 | A | B | (B-A)/A% | |||
| 0.05 | 10 | 8.33 | 15 | 15 | 7193.2 | 9310 | 2.149 | 2.232 | 14.03 | 18.85 | 34.3 |
| 0.2 | 10 | 8.33 | 15 | 15 | 11309.2 | 14778.4 | 0.801 | 0.784 | 8.22 | 10.51 | 27.8 |
| 0.05 | 10 | 6.8 | 15 | 15 | 6811.0 | 9084.6 | 0.552 | 0.534 | 4.18 | 5.39 | 28.9 |
| 0.2 | 10 | 6.8 | 15 | 15 | 8829.8 | 11799.2 | 1.677 | 1.579 | 16.46 | 20.95 | 27.2 |
注：
1、F=HtCe/CoVT，式中Ce、Co—出水、進水濃度，V—濾速，Ht—15小時后的水頭損失T—行時間，F值越小，表明濾池過濾性能越好。
2、平均出水濁度為出水濁度與過濾時間的加權平均值，以下相同。
表2 A、B兩柱出水濁度變化比較
| 投藥量ALT | 進水濁度NTU |
濾速m/h |
平均出水濁度NTU | ||||
| A | B | 2(Ca-Cb)/(Ca+Cb)(%) | Ka | Kb | |||
| 0.05 | 9 | 8.33 | 2.149 | 2.232 | 3.7 | 1.79 | 1.75 |
| 0.2 | 9 | 8.33 | 0.801 | 0.784 | 2.1 | 3.02 | 3.06 |
| 0.05 | 9 | 6.8 | 0.552 | 0.534 | 3.3 | 3.48 | 3.55 |
| 0.2 | 9 | 6.8 | 1.677 | 1.597 | 4.8 | 2.10 | 2.17 |
注：濾層截留概率K按式K=-ln(C/C0)/(Z0/d0)計算，式中C/C0——出水、進水濃度，Z0——濾層厚度，d0——濾料粒徑，對均質濾料采用當量粒徑de。
由表1可知，在單位面積濾層濾料表面積相等的條件下，出水水質基本相同，然而從F值的大小可知，粗石英砂濾料的F值比細石英砂濾料的F值平均優于28%左右，主要是因為粗石英砂濾料過濾的水頭損失小于細石英砂濾料過濾的水頭損失，就水頭損而言，宜采用粗石英砂濾料作為濾料較好。截留概率K值表示了濁質通過某一粒徑濾料厚度濾層時被截留的概率，在濾柱工作15小時后，A、B兩柱出水的平均濁度及濾柱截留概率K值見表2，在投藥量、濾速、進水濁質、單位面積濾層濾料表面積相同的條件下，A、B兩柱濾層截留概率K值相同，說明同種材質的粗細兩種石英砂濾料的濾層去除濁質的模式相同，從Ka或Kb可看出，雖進水濁質、石英砂濾料及其表面積相同，但投藥量、濾速對濾層截留模式有所影響，濾速對濁質的“輸送”過程具有一定的影響，投藥量在一定程度上影響濁質表面的物理化學特性，從而影響濁質與濾料表面的附著過程。
4、結論
（1）同種材質單位面積濾層濾料表面積及濾池運行參數均相同的情況下，出水水質基本相同，用單位面積濾層濾料表面積來衡量對濾池濾料的要求比L/d指標更合理，其截留模式相同。對于粗石英砂濾料或細石英砂濾料，其截留模式與濾速、投藥量等均有關系。
（2）在相同運行參數下，粗石英砂濾料的過濾水頭損失小于細石英砂濾料的過濾水頭損失，濾料宜采用較粗的石英砂濾料，其F值較優。
